Chapitre 6 : La plus ancienne lumière

Nuit 57 : Un sifflement sur la ligne

Le matin du cinquante-septième jour, Noor remarqua le sifflement pendant la première communication avec le sol. Il était très faible, comme le bruit d’une pluie lointaine, et il se tenait sous chaque voix qui lui parvenait dans son casque. Les équipes au sol l’entendaient toujours clairement, et elle les comprenait toujours. Mais le sifflement était là, et sur une station spatiale, tout ce qui ne devrait pas être là mérite qu’on s’y intéresse.

Le sol lui demanda de l’aider à en trouver la cause. On lui envoya une courte liste de contrôle, qu’elle suivit entre ses autres tâches de la journée. D’abord, elle écouta avec un autre casque. Le sifflement resta. Puis elle passa sur un autre panneau radio. Le sifflement resta. Ensuite, elle vérifia un à un les réglages que le sol lui lisait. Tout concordait. À midi, elle avait éliminé presque tout ce qui était facile à éliminer, ce qui est une forme de progrès utile, même si cela ne ressemble pas à un progrès sur le moment.

L’après-midi, un spécialiste au sol lui demanda de suivre un câble depuis le panneau jusqu’à la paroi et de vérifier un petit connecteur derrière un capot. Il lui fallut vingt minutes pour ouvrir le capot, car chaque vis devait être rattrapée avant de pouvoir s’envoler. Derrière, le connecteur semblait en bon état. Elle l’enfonça quand même doucement, comme l’indiquait la liste. Le spécialiste lui demanda de dire quelques mots. Elle compta de un à dix. Il y eut une pause, puis la voix du sol annonça chaleureusement que le sifflement avait disparu.

Tomás rit et dit que la moitié de l’ingénierie consiste à remettre doucement les choses en place. Ade dit que l’autre moitié consiste à croire ses instruments quand ils vous disent quelque chose d’étrange. Noor inscrivit le résultat dans le journal de bord, referma le capot et récupéra les vis dans le petit sachet qu’elle avait attaché à sa manche.

Ce soir-là, quand Noor parla du sifflement à Sami, il lui répondit depuis son camion, garé devant un quai de chargement. Il raconta que la radio de sa cabine siffle chaque nuit entre deux villes, toujours au même endroit, et qu’il ne le remarque plus. Noor sourit. Elle connaissait l’histoire d’un sifflement que deux ingénieurs n’arrivaient pas à ignorer, et de ce qu’il s’était révélé être. C’était la bonne histoire pour la cinquante-septième nuit.

Un brouillard lumineux

Lors de la nuit précédente, nous avons passé le film de l’Univers à l’envers. Si les galaxies s’éloignent aujourd’hui les unes des autres, alors il y a longtemps, tout était plus rapproché. Et quand la matière et la lumière sont comprimées ensemble, elles deviennent chaudes. Lemaître imaginait un « atome primitif ». Les partisans de l’état stationnaire imaginaient un univers sans aucun commencement. Fred Hoyle, qui était de ce second côté, donna à la première idée son nom célèbre lors d’une causerie à la radio. Mais un nom n’est pas une preuve. L’histoire de ce soir parle de la preuve qui a tranché la question.

Imaginons l’Univers jeune, quelques centaines de milliers d’années après le commencement. Il était bien plus chaud et plus dense que tout ce qui existe dans l’Univers aujourd’hui. Il faisait si chaud que les atomes ne pouvaient pas tenir ensemble. Un atome, comme nous le verrons plus en détail lors des prochaines nuits, est un minuscule centre appelé noyau, entouré de particules encore plus petites appelées électrons. Dans l’Univers jeune, les électrons ne pouvaient pas rester avec leurs noyaux. Chaque fois qu’un électron se posait, la chaleur le libérait de nouveau.

Les électrons libres ont un effet important sur la lumière. Ils lui barrent le chemin. Un rayon de lumière, dans cet Univers des débuts, ne pouvait pas aller loin avant de heurter un électron et d’être renvoyé dans une nouvelle direction. Puis il en heurtait un autre, et encore un autre. La lumière était partout, mais elle ne pouvait aller nulle part en ligne droite. L’Univers entier brillait, mais il n’était pas transparent. Il ressemblait à un brouillard épais et lumineux.

Vous avez sans doute vu quelque chose de semblable par un matin de brouillard. Le soleil est levé, et l’air autour de vous est clair. Mais vous ne pouvez pas voir les maisons au bout de la rue, parce que la lumière qui en vient est dispersée en chemin vers vos yeux. L’Univers jeune était ainsi partout, dans toutes les directions. Si quelqu’un avait pu se tenir à l’intérieur, il n’aurait vu qu’une lueur vive et uniforme, sans rien derrière.

Puis, lentement, l’Univers a continué de s’étendre et de se refroidir. Environ 380 000 ans après le commencement, il s’était refroidi jusqu’à une température de quelques milliers de degrés. C’est encore très chaud, à peu près autant que la surface de certaines étoiles froides, mais c’était assez frais pour un changement important. Les électrons pouvaient désormais se placer autour des noyaux et y rester. Des atomes se formèrent, surtout des atomes d’hydrogène et d’hélium.

Le moment où le brouillard s’est levé

Une fois les électrons à l’intérieur des atomes, ils ne barraient plus aussi facilement le chemin de la lumière. Soudain, la lumière pouvait voyager librement en ligne droite. Le brouillard s’était levé. Les astronomes comparent parfois ce moment à une lampe qui se trouvait au cœur d’un épais nuage et se retrouve soudain dans un air limpide. La lumière libérée à cet instant partit dans toutes les directions à travers l’Univers. Une partie de cette lumière voyage depuis, depuis environ 13,8 milliards d’années, et une partie arrive sur Terre ce soir.

Quand cette lumière est partie, c’était la lueur de quelque chose dont la température atteignait quelques milliers de degrés. La lumière d’un objet aussi chaud a des ondes courtes, et une partie aurait paru orange ou jaune à des yeux humains. Mais lors de la nuit des galaxies qui s’éloignent, nous avons vu que l’espace lui-même s’étire depuis des milliards d’années. À mesure que l’espace s’étirait, les ondes de cette vieille lumière se sont étirées avec lui. Elles ont été étirées plus de mille fois. Aujourd’hui, ces ondes ne sont plus du tout de la lumière visible. Ce sont des ondes beaucoup plus longues, de celles que l’on appelle micro-ondes.

Les micro-ondes sont un type d’ondes radio aux ondes assez courtes. Elles appartiennent à la même famille que celles qu’un four à micro-ondes utilise pour réchauffer les aliments, mais la vieille lumière de l’Univers est extrêmement faible. Elle ne réchauffe rien de façon perceptible. Sa température aujourd’hui n’est que d’environ 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Le zéro absolu est la température la plus froide possible, environ moins 273 degrés Celsius, si bien que cette vieille lumière se trouve à environ moins 270 degrés.

Les astronomes appellent cette lumière le fond cosmologique micro-ondes. « Cosmologique » signifie qu’elle appartient à l’Univers entier. « Micro-ondes » nous dit de quel type d’ondes il s’agit aujourd’hui. « Fond » signifie qu’elle se trouve derrière tout le reste, comme le mur du fond d’une scène. Dans ce livre, nous l’appellerons le plus souvent simplement la plus ancienne lumière. C’est la plus ancienne lumière que nous puissions jamais voir, car avant elle, l’Univers était un brouillard que la lumière ne pouvait pas traverser.

Il y a là quelque chose de remarquable. La plus ancienne lumière ne vient pas d’une étoile ni d’une galaxie. Elle ne vient pas d’une seule direction. Elle vient de toutes les directions à la fois, de tout le ciel, de jour comme de nuit. Pendant que vous lisez cette page, une infime partie de cette lumière traverse la pièce où vous vous trouvez. C’est comme se tenir dans l’écho finissant d’une grande salle, où le son vient de tous les murs à la fois.

Ceux qui l’ont trouvée

Les premiers à réfléchir sérieusement à cette vieille lumière travaillaient sur une autre question. En 1948, le physicien George Gamow et ses jeunes collègues Ralph Alpher et Robert Herman cherchaient à comprendre comment les éléments les plus légers avaient pu être fabriqués dans un Univers primitif chaud et dense. C’est l’histoire de notre prochaine nuit. Mais tout en y travaillant, Alpher et Herman comprirent quelque chose. Si l’Univers primitif avait vraiment été si chaud, une faible lueur de cette chaleur devait encore remplir l’espace aujourd’hui. Ils estimèrent que cette lueur ne serait plus que de quelques degrés au-dessus du zéro absolu.

Pensez un instant à la façon dont ces trois personnes travaillaient. Elles n’avaient aucun télescope capable de voir l’Univers primitif, ni d’ordinateurs comme ceux que nous utilisons aujourd’hui. Elles travaillaient avec des crayons, du papier, de simples machines à calculer et de longues conversations. Gamow était connu pour son humour espiègle et pour ses livres chaleureux qui expliquaient la physique au grand public. Alpher et Herman effectuèrent une grande partie des calculs patients et minutieux. Leur estimation, d’environ cinq degrés, n’était pas tout à fait juste, mais elle était proche de la vraie valeur, ce qui était un résultat remarquable pour une première tentative.

Leur prédiction n’attira guère l’attention à l’époque. Mesurer une lueur aussi faible semblait bien au-delà des instruments du moment, et beaucoup de scientifiques n’étaient pas encore convaincus que l’Univers avait eu un commencement chaud. L’idée fut en grande partie oubliée pendant quelques années. Cela arrive plus souvent en science qu’on ne le croit. Une bonne idée peut attendre tranquillement dans de vieux articles jusqu’à ce que le bon instrument, ou la bonne personne, se présente.

Au début des années 1960, deux ingénieurs radio commencèrent à travailler avec une grande antenne en forme de cornet, construite pour recevoir des signaux renvoyés par des satellites. Ils voulaient s’en servir pour mesurer avec soin de faibles ondes radio venues de l’espace. Pour cela, ils devaient d’abord comprendre chaque parcelle de bruit que l’antenne et son récepteur produisaient d’eux-mêmes. Alors ils mesurèrent, vérifièrent, et mesurèrent encore. Et ils trouvèrent un faible sifflement qu’ils ne parvenaient pas à expliquer. Il était le même dans toutes les directions où ils pointaient l’antenne, à toute heure du jour et en toute saison.

Ils firent ce que font les bons ingénieurs. Ils cherchèrent la cause dans leur propre matériel. Ils vérifièrent le récepteur et les connexions. Ils découvrirent même qu’un couple de pigeons avait niché à l’intérieur du cornet et laissé des fientes sur sa surface intérieure. Les pigeons furent emmenés ailleurs, et les ingénieurs nettoyèrent soigneusement le cornet. Le sifflement demeura. Il ne venait pas de l’antenne, et il ne venait de rien de proche. Il venait du ciel.

À peu près au même moment, un groupe de physiciens installé non loin de là construisait un instrument destiné à chercher exactement une telle lueur, car ils avaient retrouvé l’idée par eux-mêmes. Quand les deux groupes apprirent l’existence de leurs travaux respectifs, ils comprirent ce qu’était le sifflement. En 1965, les résultats furent publiés. Les ingénieurs avaient trouvé la plus ancienne lumière. Pour beaucoup d’astronomes, ce fut le moment où l’idée de l’état stationnaire perdit son principal soutien, car un univers sans commencement chaud n’avait aucun moyen naturel de remplir tout l’espace d’une telle lueur.

Une carte de différences minuscules

Après 1965, la plus ancienne lumière devint l’un des objets les plus étudiés de tout le ciel. Au début, elle semblait parfaitement uniforme. Elle avait la même température dans toutes les directions, pour autant qu’on pouvait la mesurer. C’était une énigme à sa manière. Si l’Univers jeune avait été parfaitement uniforme, comment était-il devenu plus tard grumeleux, avec des galaxies ici et de l’espace vide là ? Il devait bien y avoir de petites différences quelque part, si seulement quelqu’un parvenait à les mesurer.

Les mesurer depuis le sol était très difficile, car l’air lui-même brille un peu dans les micro-ondes et l’eau qu’il contient fait obstacle. Les scientifiques construisirent donc des satellites pour mesurer la plus ancienne lumière depuis le dessus de l’air. Un satellite lancé en 1989 mesura la lueur avec un grand soin, et en 1992, son équipe annonça qu’elle avait trouvé les différences. Elles étaient minuscules, d’environ une partie sur 100 000. Certaines parties du ciel étaient très légèrement plus chaudes et d’autres très légèrement plus froides que la moyenne.

Le satellite ne prit pas une photo en un instant, comme le fait un appareil photo. Il balaya le ciel entier encore et encore, pendant des années, et son équipe additionna les mesures pour que les minuscules différences puissent émerger du bruit de l’instrument. En cela, l’équipe affrontait le même problème que les deux ingénieurs avec leur antenne en cornet. Avant de pouvoir se fier à ce que le ciel leur disait, ils devaient comprendre chaque parcelle de bruit produite par leur propre matériel.

Pour imaginer à quel point c’est petit, pensez à un grand lac tranquille. Si le lac était parfaitement immobile, sa surface serait complètement plane. Des différences d’une partie sur 100 000 ressemblent à des rides si petites que vous ne pourriez jamais les voir à l’œil nu. Pourtant, ces minuscules rides comptent énormément. Là où l’Univers jeune était très légèrement plus dense, la gravité attirait un peu plus fort. Au fil de centaines de millions d’années, ces endroits rassemblèrent de plus en plus de matière. Les minuscules rides de la plus ancienne lumière sont les graines des galaxies, y compris la nôtre.

Des satellites ultérieurs dressèrent des cartes de plus en plus nettes du ciel entier. Ces cartes ressemblent à un œuf moucheté, avec des taches de lumière légèrement plus chaude et légèrement plus froide. En étudiant la taille et la disposition de ces taches, les astronomes peuvent mesurer bien des choses sur l’Univers : son âge, la quantité de matière ordinaire qu’il contient et la quantité de la matière et de l’énergie étranges que nous rencontrerons lors des prochaines nuits. L’âge d’environ 13,8 milliards d’années utilisé dans ce livre provient en grande partie de ces cartes.

La plus ancienne lumière n’est donc pas seulement la preuve d’un commencement chaud. C’est aussi une sorte de photo de bébé de l’Univers, prise quand il avait environ 380 000 ans. Comparé à son âge actuel, c’est comme la photo d’une personne prise le premier jour de sa vie. Le visage n’est pas encore celui de l’adulte, mais sa forme est déjà là.

Un message pour Sami

Avant de dormir, Noor flotta quelques minutes près de la grande fenêtre. La station survolait le côté nuit de la Terre, et le ciel au-dessus de la fine ligne de l’atmosphère était noir et rempli d’étoiles. Elle savait que la plus ancienne lumière était là aussi, entre les étoiles et derrière elles, invisible à ses yeux mais emplissant toutes les directions. La fenêtre, la station et ses propres mains en étaient baignées, très faiblement.

Plus tôt dans la soirée, Ade avait montré à Tomás et à Noor l’une des cartes de la plus ancienne lumière sur un écran de la cuisine. Tomás dit qu’elle ressemblait à la peau d’une orange vue de très près. Ade expliqua que chaque galaxie qu’ils pouvaient voir depuis la fenêtre était née de petites différences comme ces taches, amplifiées par la gravité au fil de milliards d’années. Personne ne parla pendant un moment après cela, ce qui, sur une station très occupée, est une forme de compliment.

Elle écrivit à Sami : « Le sifflement de ta radio vient probablement d’un pylône voisin ou du moteur. Mais dans le sifflement d’une radio, une toute petite partie peut venir de la plus ancienne lumière de l’Univers. D’une certaine façon, tu as peut-être écouté une faible trace du commencement pendant tes trajets de nuit. » Sami répondit une heure plus tard, pendant sa pause, qu’il ne serait plus jamais agacé par ce sifflement entre les deux villes.

Peut-être, après votre propre journée de travail, y a-t-il dans votre vie un son de ce genre : le ronronnement d’un réfrigérateur, le bruit de la circulation, le sifflement d’une vieille radio. L’essentiel, bien sûr, vient de choses ordinaires toutes proches. Mais la plus ancienne lumière est là aussi, chaque soir, venant de tous les côtés. Elle a été libérée bien avant qu’il y ait des étoiles, bien avant la Terre, et elle a voyagé pendant tout ce temps pour atteindre l’endroit où vous êtes assis maintenant.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que la plus ancienne lumière vient d’un seul endroit, très lointain, où le Big Bang se serait produit. Il est naturel de se la représenter ainsi, parce que nous imaginons d’habitude la lumière venant d’une lampe ou d’une étoile. Mais la plus ancienne lumière vient également de toutes les directions, parce que le brouillard chaud remplissait l’Univers entier, et non un point à l’intérieur. Où que nous regardions, nous voyons l’endroit lointain où le brouillard s’est levé pour la lumière qui nous atteint maintenant. Une astronome se trouvant dans une galaxie très lointaine verrait la même lueur tout autour d’elle, venant de son propre environnement lointain.

Beaucoup de gens pensent aussi qu’avec un télescope assez grand, on pourrait regarder au-delà de la plus ancienne lumière et voir le commencement lui-même. Avec la lumière ordinaire, et avec tout autre type d’onde semblable, c’est impossible. Avant environ 380 000 ans, l’Univers était un brouillard que la lumière ne pouvait pas traverser, si bien qu’aucune lumière d’une époque antérieure ne peut nous atteindre en ligne droite. C’est comme essayer de voir l’intérieur d’un nuage depuis l’extérieur. Les scientifiques apprennent des choses sur les époques antérieures par d’autres moyens : grâce aux quantités des éléments les plus légers, qui feront l’histoire de notre prochaine nuit, et grâce aux motifs que dessine la plus ancienne lumière elle-même.

Enfin, certains ont entendu dire que la plus ancienne lumière n’était « que la neige des vieux téléviseurs ». La vérité est un peu plus douce. Les vieux téléviseurs affichaient un motif mouvant de points, appelé neige, quand ils n’étaient réglés sur aucune chaîne. L’essentiel de cette neige venait du téléviseur lui-même, d’autres appareils électriques et de sources radio proches. Mais une petite partie venait bel et bien de la plus ancienne lumière. Ainsi, quiconque s’est assis un jour devant un téléviseur mal réglé regardait, sans le savoir, un minuscule écho de l’Univers jeune. Lors de la prochaine nuit, nous remonterons encore plus loin, jusqu’aux toutes premières minutes, et nous verrons de quoi était fait le brouillard chaud.